Способ измерения уровней напряжения в точках экстремумов передаточной характеристики электрооптического модулятора света и устройство для его осуществления Советский патент 1989 года по МПК G01R31/00 

I

Фие Z

3150

Изобретение относится к оптоэлектронике и может быть использовано для измерения, контроля и регулировки величины управляющих напряжений в электрооптических модуляторах и дискретных дефлекторах света.

Цель изобретения - повышение точности измерений и расширение области применения способа на электрооп- тические модуляторы с несимметричной характеристикой, не допускающие приложения напряжения с постоянной со- ставляюш.ей.

На фиг. 1 изображены варианты передаточных характеристик модулятора и временные диаграммы управляющего напряжения и интенсивности света на выходе электрооптического модулятора; на фиг. 2 - блок-схем.а устройства; на фиг. 3 - пример его функциональной схемы; на фиг. 4 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства

Передаточная характеристика 1 идеального электрооптического модулятора, помещенного между скрещенны- .ми поляризатором и анализатором, имеет вид

т . i - П и

1 1 sin (т -- ,

2 и,

Л/гце I и I - интенсивности света

о

соответственно на вхо- де и выходе модулятора и - напряжение на его электродах;

и , , - полуволновое напряже- л / Z

ние модулятора.

Передаточная характеристика 2 при сонаправленных поляризаторе и анализаторе имеет вид

-- i-o;;;

У реального модулятора передаточная характеристика 3 может быть смещена относительно идеальной характе- ристики 1 как по оси U, так и по оси I, При использовании модулятора в качестве светового затвора или переключателя поляризации света в каскаде дискретного дефлектора уровни управляющего напряжения должны соответствовать минимуму и максимуму передаточной характеристики, т.е. его размах должен быть равен

г 0

5

0

5

0

5

Q j

В частности, если передаточная характеристика симметрична относительно нулевого напряжения, эти уровни обычно выбираются равными О и . (или - ). Для измерения уроБр1ей напряжения, требуемых для управления данным модулятором, его помещают между анализатором и поляризатором, пропускают через него луч монохроматического света и прикладывают к его электродам измерительное напряжение. Если это напряжение имеет форму колебаний 4, симметричных относительно экстремума передаточной характеристики 1, световой сигнал 5 на выходе будет иметь форму гармонических колебаний частоты 2f( с постоянной составляющей, .когда напряжение имеет форму гармонических крлебаний с частотой f, или будет постоянным (без пульсаций) когда напряжение имеет форму прямоугольных колебаний. Амплитуда колебаний с частотой 2f определяется амплитудой гармонического напряжения. Если напряжение 6 имеет форму колебаний, смещенных относительно точки экстремума характеристики 1, то в световом сигнале 7 имеется составляющая пульсаций с частотой f,, причем амлитуда этой составляющей определяется как амплитудой колебаний напряжения, так и величиной его по- стоянкой составляющей. Фаза световых пульсаций определяется полярностью постоянной составляющей напряжения. Аналогичный световой сигнал появится при напряжении 4, если модулятор имеет смей;енную характеристику 3, Если же постоянное смещение напряжения сигнала 6 равно напряжению смещения характеристики 3, то световой сигнал будет аналогичен по форме сигналу 5. Таким образом, наличие в световом сигнале 7 составляющей с частотой f| указьшает на то, что постоянная составляющая напряжения не соответствует точке экстремума характеристики 1 . По фазе световых пульсаций можно судить, в каком направлении необходимо изменять постоянную составляющую напряжения, чтобы попасть Б Точку экстремума передаточной характеристики. Переменное напряжение с изменяемой постоянной составляющей формируют в виде суммы переменного напряжения с нулевой постоянной составляющей и регулируемого опорного напряжения. Величину опорного напряжения измеряют в момент отсутствия в световом сигнале пульсаций с частотой f( (фиг. 1, диаграмма 5) . Из сравнения сигналов 5 и 7 видно, что использование прямо- угольн1Йх колебаний напряжения позволяет более точно определить факт отсутствия в световом сигнале пульсаций с частотой f , так как полное отсутствие переменного сигнала обнаруживается достовернее, чем отсут- ствие в переменном сигнале с ярко пыраженной составляющей с частотой 2f| еще одной составляющей с частотой f| (при отсутствии состаляющей с частотой f, амплитуды соседних периодов сигнала с частотой 2f одинаковы). Полуволновое напряжение может быть измерена на максимуме характеристики 1 или на минимуме характеристики 2. Во втором случае меньшая постоянная составляющая светового сигнала обеспечивает меньший световой шум и, тем самым, большую точность измерения.

Для исключения вредного влияния на модулятор постоянной составляющей напряжения в качестве опорного используется переменное напряжение с частотой f J f|, например, гармонические колебания. В моменты максимумов переменного опорного напряжения, где это напряжение имеет горизонтальн11|е участки, световой сигнал имеет ту же форму, что и при постоянном опорном напряжении. Если световой сигнал преобразуют в электрический контрольный сигнал и наблюдают последний с помощью осциллографа, то для удобства наблюдения прямо- угольные колебания и развертка осциллографа должны быть синхронизированы с опорным напряжением. Это может быть обеспечено использованием ждуще го генератора прямоугольных колебаний, запускаемого, например, положительными полуволнами опорного напряжения. Если в моменты запуска генератор вырабатывает колебания с одной и той же начальной фазой, то контрольный сигнал будет наблюдаться на осциллографе неподвижным. Для исключения переходных процессов в выходных цепях генератора и снижения рассеяния мощности в генераторе и модуляторе амплитуда прямоуольных колебани модулируется так, чтобы в моменты запуска генератора она бы

3П28«

ла нулевой и затем возрастапа, принимая максимальное значение в середине полуволны опорного напряжения, и после этого спадала до нуля. Напряжение 8 в виде модулированных таким образом прямоугольных колебаний, суммируемых с положительной полуволной опорно-- го напряжения, амплитуда которого

0

ниже и

/

вызовет световой сигнал

5

0

9, соответствующий передаточной характеристике 2. Этот сигнал с точностью до фазы близок по форме к управляющему направлению. При управляющем сигнале 10 с амплитудой опор- ног о напряжения, равном U , в световом сигнале 11 образуется стяжка в центре положительной полуволны опорного напряжения, где прямоугольные колебания отсутствуют. При управляющем сигнале 12 с амплитудой опорного напряжения, превосходящей и в световом сигнале 13

ti

оораз тотся две стяжки

в которых

фаза прямоугольных колебаний меняется скачком на 180°, и посередине между ними в центре полупериода опорного напряжения наблюдается пучность колебаний. При использорании в цепи усиления сигнала фотоприемника фильтра высокой частоты, подавляющего в световом сигнале составляющую с частотой 2, световой сигнал становится симметричным относительно горизонтали, проходящей через стяжки. При снижении амплитуды опорного напряжения стяжки сближаются. В момент их слияния (фиг. 1, сигнал 11) амплитуда опорного напряжения принимает критическое значение, равное

и/л12 и может быть измерена амплитудным (пиковым) вольтметром. При дальнейшем уменьшении амплитуды опорного напряжения стяжка утолщается, за- ; пслняясь прямоугольными колебаниями, и световой отклик постепенно приобретает вид сигнала 9.

Аналогично можно измерить отрицательное полуволновое напряжение. Для

этого генератор прямоугольных колебаний и развертку осщ1ллографа надо запускать от отрицательной полуволны опорного напряжения. При несимметричной передаточной характеристике 3 модулятора измеряют напряжения, соответствующие минимуму и максимуму (или двух максимумов - для положительного и для отрицательного напряжений) характеристики 3.

Устройство, реализующее описанный способ измерения, содержит источник 14 монохроматического излучения, поляризатор 15, электрооптический модулятор 16 света, анализатор 17, фотоприемиик 18, фильтр 19 высокой частоты, детектор 20, источник 21 переменного опорного напряжения, генератор 22 двуполярных прямоугольных импульсов, амплитудньй вольтметр 23 и блок 24 развязки. Источник 21 переменного опорного напряжения содержит трансформатор 25 (фиг. 3), выход повыш,1Ю1цей обмотки котор ого соединен чорез блок 24 развязки с злектрооптическим модулятором 16 света. Амплитуда опорного напряжения ycTaHaBjniBaeTCH регулятором 26 (фиг 3).

Источник 14 монохроматического излучения оптически последовательно связан через поляризатор 15 с электрооптическим модулятором 16 света, анализатором 17, фотоприемником- 18, выход которого через фильтр 19 высокой частоты подключен к входу детектора 20. Первый выход источника 21 переменного опорного напряжения через блок 24 развязки соединен с первым электродом электрооптического модулятора 16 света и амплитудным вольтметром 23, Второй выход источника опорного переменного напряжения соединен с выходом генератора 22 двуполярных прямоугольных импульсов, выходы которого соединены с вторым электродом электрооптического модулятора 16 света и управ- ЛЯЮ1ЦИМ входом детектора 20.

Генератор 22 двуполярных прямоугольных импульсов (фиг. 2) содержит (фиг. 3) ограничитель напряжения, состоящий из фильтра 27, диодов 28 и 29 затщчты от перенапряжений и усилителя-ограничителя 30, ждущий генератор пачек прямоугольных импульсов, содержащий диод 31 и усилитель 32, усилитель мощности на транзисторах 33 и 34 и блок модуляции, состоящий из выпрямителей на диодах 35-38 и фильтров на конденсаторах 39 и 40. Колллектор транзистора 34 соединен с первым выходом генератора 22. Кроме этого, в генератор 22 двуполяриых прямоугольных импульсов входит схема формирования импульса стробирования детектора 20, состоящая из интегрирующей гишочки 41-42, усилителя-ограничителя 43, соединенного с вторым выходом генератора 22 двуполярньгх прямоугольных импульсов, и переключателя 44. Фотоприемник 18 содержит фотодиод 45 и резистор 46. Конденсатор 47 образует с входным сопротивлением первого входа детектора 20 фильтр 19 высокой частоты.

На фиг. 4 показаны временные диаграммы напряжений: 48 - на первом выходе блока 24 развязки; 49 и 50 - соответственно на конденсаторах 39 и 40; 51 - на выходе усилителя 30j 52 - на выходе усилителя

32; 53 и 54 - соответственно на первом и втором выходах генератора 22; 55 - на выходе фильтра 19 высокой частоты; 56 - на втором выходе гене0 ратора 22 двуполярных прямоугольных импульсов, когда в качестве детектора 20 используется интегрирующий фазовый-детектор. В качестве детектора 20 может быть использован ос5 циллограф, сигнальный вход которого соединяют с выходом фильтра 19, а вход синхронизации - с вторым выходом генератора 22 двуполярных прямоугольных импульсов. На первичную

0 обмотку трансформатора 25 подают

напряжение от сети 50 Гц. При верхнем положении переключателя 44 напряжение на входах фильтра 27 и цепочки 41-42 находи гся в фазе с напряжением 48 на первом выходе источника 2 1 переменного опорного напряжения. На выходе усилителя 30 формируются прямоугольные колебания 51 с частотой f. Положительными полупериодами этих колебаний, совпадающими по времени с отрицательными полупериодами напряжений 48, генератор на усилителе 32 вводится через диод

31в режим ожидания. При отрицательных полупериодах колебаний 51 ток, протекающий через диод 31, и удерживающий выходной сигнал усилителя

32на нижнем уровне, прерывается (диод 31 запирается) и на вь1ходе усилителя 32, охваченного глубокой по0 ложительной обратной связью, возникают прямоугольные колебания с частотой f 5 : ff.no времени эти колебания совпадают с положительными полупериодами напряжения 48 . Колебания уси5 ливаются каскадами на транзисторах 33 и 34. Эти каскады питаются пульсиру- Ю1ДИМИ напряжениями 49 и 50, получаемыми с помощью двухполупериодных выпрямителей на диодах 35-38. Поэтому

на коллекто на первом

колебания с частотой i j ре транзистора 34 (т.е. выходе генератора 22) оказываются промодулированными по амплитуде (фиг. 4, диаграмма 53). При этом максимальная амплитуда соответствуе максимуму напряже1;ия 48, Емкость конденсаторов 39 и 40 такова, что для напряжения с частотой f, их сопротивление мало, а для напряжения с частотой f - велико по сравнению с сопротивлением нагрузки транзистора 34,

i

Блок 24 развязки подавляет в напряжении 4-8 высокочастотные помехи. Напряжение 48 суммируется на электрооптическом модуляторе 16 света с выходным напряжением 53 генератор 22 двуполярных прямоугольных импульсов, приобретая вид сигнала, показанного на диаграмме 8, 10 или 12 (фиг. 1). Опорное напряжение (фиг. от источника 21 переменного опорного напряжения и колебания от г енера тора 22 двуполярных прямоугольных импульсов подаются на разные электрды электрооптического модулятора 16 света. Можно подавать оба этих сигнала на один электрод, если первый выход генератора 22 двуполярных прямоугольных импульсов соединить с нижней обкладкой конденсатора блока 24 развязки, предварительно отсоединив его от шины Земля, и соединить с этой шиной правый электрод электрооптического модулятора 16 света. Цепочкой 41-42, выполняющей роль интегратора, и усилителем-ограничителем 43 формируются прямоугольные колебания 54, сдвинутые приблизительно на 90 относительно напряжения 48. Эти колебания поступают на второй вход детектора 20. Если в качестве детектора 20 используют осциллограф, то запуск развертки осциллографа производится от положительных фронтов сигнала 54. Выбором постоянной времени цепочки 41-42 обеспечивается требуемое опережение запуска развертки осциллографа по отношению к моментам максимумов на- пргчжения 48. На сигнальный вход осциллографа поступает сигнал 55 с фо- топриемника 18, из которого с помощью конденсатора 47 фильтра 19 высокой частот, исключена составляющая с частотой t. Усчпновкой амплитуды напряжения 48 с регулятора

26 добиваются пропадания прямоугольных колебаний в наблюдаемом по осциллографу сигнале 55 в момент максимума напряжения 48, т.е. образование одной стяжки (фиг. 1, диаграмма 11). При этом с помощью амплитудного вольтметра 23 измеряют максимальное значение напряжения 48. Оно соответствует напряжению минимума правой ветви характеристики 2. Затем переводят переключатель 44 в нижнее положение (при этом фазы сигналов 51- 5j сдвигаются на 180 по отношению к

фазе напряжения 48) и повторяют процедуру измерения, переключив амплит тудный вольтметр 23 на измерение отрицательного напряжения. Результат измерения при этом соответствует

напряжению минимума левой ветви характеристики 2. Напряжение, соответствующее максимуму характеристики 2, равно среднему арифметическому измеренных значений. Его можно уточнить

непосредственным измерением, если, развернув анализатор 17 на 90° и снизив сначала амплитуду напряжения до 48 до ожидаемой величины, отрегулировать ее до получения стяжки в

сигнале 55 и измерить амплитудным вольтметром 23. Измеренное напряжение соответствует минимуму на характеристике 1.

В качестве детектора 20 может

также использоваться интегрирующий фазовый детектор, состоящий из последовательно соединенных усилителя, аналогового коммутатора и интегратора. Вход усилителя соединен с первым

входом детектора 20, вход управления аналоговым коммутатором - с вторым входом детектора, а выход интегратора - с выходом детектора 20. Для формирования пачек импульсов 56 управления аналоговым ко1чмутатором детектора 20, симметричных относительно экстремумов напряжения 48, можно в генераторе 22 двуполярных прямоугольных импульсов использовать

вместо усилителя 43 компаратор, на один вход которого подается гармоническое напряжение в фазе с напряжением 48, а на другой вход - то же напряжение, но выпрям.чснное и ослабленное в k раз (). При измерении положительного и отрицательного критических значений опорного напряжения используют соответственно положительное и отрицательное выпрямленное напряже} не. При положительном выпрямленном напряжении, которое подается на инвертирующий вход компаратора, на его выходе формируются положительные импульсы, симметричные относительно моментов максимумов напряжения 48. При отрицательном выпрямленном напряжении, которое подается на неинвертирующий вход компаратора, положительные импульсы на его выходе симметричны относительно моментов минимумов напряжения 48. Эти импульсы, ширина которых может регулироваться изменением коэффициента ослабления k, подаются на первый вход двухвходовой схемы И, на второй вход которой подаются прямоугольные колебания с логическими уровнями, формируемые из выходного сигнала 52 усилителя 32. На выходе схемы И, таким образом, формируются пачки импульсов 56, подаваемые на второй выход генератора 22 двуполяр

5

0

тановку критического значения напряжения 48., Если в качестве регулятора используется потенциометр, интегратором детектора 20 служит микроэлектродвигатель,, перемещающий движок потенщюметра. Если регулятором 26 служит фоторезистор, то можно использовать электронный интегратор, нагруженный на источник света, оптически связанный с этим фоторезистором. Для исключения влияния регулировки амплитуды напряжения 48 на амплитуду сигнала 53 и на стабильность фаз сигналов 51 и 54 напряжение на втором выходе источника 21 переменного опорного напряжения может формироваться отдельным трансформатором. Возможна регулировка амплитуды напряжения 48 отдельным регулировочным автотрансформатором. При измерении напряжения минимума характеристики 3 напряжение на выход источника 21 переменного опорного напря

Изобретение относится к электрооптике , в частности, к методам определения параметров электрооптических модуляторов света. Цель изобретения - повышение точности и расширение области применения. Поляризованный монохроматический луч от источника света 14 проходит через поляризатор 15, электрооптический модулятор 16 света и анализатор 17. На электрооптический модулятор 16 света подается сумма напряжений импульсов от генератора 22 прямоугольных колебаний и переменного опорного напряжения более низкой частоты источника 21 опорного напряжения. Промодулированный свет преобразуется фотоприемником 18 в контрольный сигнал, который через фильтр высокой частоты 19 поступает на детектор 20, фиксирующий отсутствие высокочастотной модуляции излучения в момент равенства амплитуды опорного напряжения полуволновому напряжению электрооптического модулятора 16 света. Амплитудный вольтметр 23 с цепью 24 развязки служит для измерения полуволнового напряжения. 2 с.п. ф-лы, 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

ных прямоугольных импульсов. Для фо мирования пачек импульсов 56 можно использовать также схему генератора 22 двуполярных прямоугольных импульсов, показанную на фиг. 3, если выход усилителя 43 отсоединить от второго выхо,а генератора 22 двуполярных прямоугольных импульсов и через дифференцирующий конденсатор соединить с входом запуска дополнительно введенного формирователя одиночных импульсов (например, одновибратора) выход которого соединен с первым входом двухвходовой схемы И, аналогичной описанной. Параметры формирователя одиночных импульсов, запуска емого положительными импульсами, выбираются так , чтобы длительность его выходных импульсов вдвое превосходила время опережения фронта сигнала 54 момента экстремума напряжения 48. При этом по фронту сигнала 54 на первом входе схемы И формируеся импульс, задающий временные границы пачки импульсов 56. Эти импульсы управляют аналоговым коммутаторо детектора 20, выходной сигнал которого в течение действия пачки импулсов 56 получает приращение, величин и знак которого зависят от амплитуды и фазы колебаний в сИ1 нале 55 в районе экстремума напряжения 48. Используя выходной сигнал детектора 20 для управления регулятором 26, можно обеспечить автоматическую ус

подается

с низковольтного отвода выходной обмотки трансформатора 25.

Кроме гармонических колебаний в качестве опорного напряжения можно использовать прямоугольные импульсы (колебания типа меандр). При этом упрощается синхротчизация генератора 22 двуполярных прямоугольных импульсов и детектора 20 с опорным напряжением и повьш1ается точность измерений за счет расширения плоского рабочего участка опорного напряжения.

Формула изобретения

тический модулятор света.сумму пе- ременного напряжения первой частоты и опорного напряжения, интенсивность света на выходе из элек.трооптичес- кого модулятора света преобразуют в напряжение контрольного сигнала, изменяют величину опорного напряже- ния до критического значения и измеряют это критическое значение, о т- личающийся тем, что, с ц(шью повышения точности и расширения области применения, н качестве опорного напряжения используют переменное напряжение с второй частотой меньшей первой, из контро1тьного сигнала вычитают составляющее с частотами ниже первой частоты, перемен- |Ное напряжение первой частоты формируют в виде двуполярных прямоугольных импульсов с равной длительностью полупериодов, причем при измерении максимального значения критического напряжения формируют переменное напряжение первой частоты только в течение положительных полупериодов опорного напряжения, а при измерении минимального значения критического напряжения формируют переменное напряжение первой частоты только в течение отрицательных полупериодов опорного напряжения, изменяют амплитуду опорного напряжения, а максималное и минимальное критические напряжения определяют по моментам обращения в нуль контрольного сигнала соответственно на положительных и отрицательных полупериодах опорного напряжения.

I

2 о Способ по п. 1, о т л и ч а- ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности и достоверности измерений за счет снижения мощности, рассеиваемой на объекте контроля, опорное напряжение формируют в виде гармонических колебаний, увеличивают амплитуду переменного напряжения первой частоты в течение первой половины полупериода опорного напряжения и снижают в течение второй половины полупериода опорного напряжения

что опорное напря- виде прямоугольных

жение формируют в импульсов.

30281

связаннне источник монохроматическо- но излучения, поляризатор, анализатор и фотоприемник, источник опорного напряжения и генератор колебаний, первые выходы которых соединены через блок развязки с входами электрооптического модулятора света, детектор и вольтметр, соединенный с пер- 10 вым выходом источника опорного напряжения, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений и расширения области применения, в устройство введены фильтр

высокой частоты, в качестве источника опорного напряжения использован источник переменного опорного напряжения, в качестве генератора колебаний использован генератор двуполярных прямоугольных импульсов, управляющий вход которого соединен с вторым выходом источника опорного переменного напряжения, вход фильтра высокой частоты соединен с выходом фотоприемника, выход фильтра высокой частоты соединен с первым входом

детектора, второй вход которого соединен с вторым выходом генератора двуполярных прямоугольных импульсов.

Т

« I - .

.Г Г-Г5Г

2f

Т

.i/

Ж1

/

«;

фиг.З

LL

Л

e

Фие.